Structuration partie opérative et partie commande et consommation d’énergie

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Préactionneurs

Un préactionneur est un organe de commande dont la fonction est de distribuer, sur ordre de la partie commande, une énergie utile aux actionneurs (cf. partie II.3). En effet, l’énergie des signaux fournis par la partie commande sont trop faibles pour pouvoir être utilisés directement par un actionneur, aussi, le préactionneur joue le rôle d’amplificateur [Gro6, 2008].
Les préactionneurs sont par exemple : des contacteurs électromécaniques ou statiques, des variateurs de vitesse, des démarreurs moteurs, des électrovannes tout ou rien ou analogiques voire des cartes électroniques dédiées à des actionneurs spécifiques (commande de moteurs pas à pas…) [Bol3, 2006]. Dans cette étude, il ne sera détaillé que les préactionneurs dont la commande est électrique ou électronique. Dans la suite de cette partie, il sera présenté quelques exemples de préactionneurs.

Contacteurs

Les contacteurs sont des organes destinés à commuter la puissance électrique vers un actionneur (moteurs asynchrone, résistances chauffantes, lampes…). Il existe différentes technologies de contacteurs : les contacteurs électromécaniques et les contacteurs statiques.

Contacteurs électromécaniques

Les contacteurs électromécaniques sont des interrupteurs commandables : ils sont constitués de contacts électriques et d’un dispositif de manœuvre qui permet d’ouvrir et fermer les contacts électriques et de faire transiter la puissance dans l’actionneur via les contacts électriques.
Le plus souvent, le dispositif de manœuvre est un électroaimant associé à un ressort de rappel (contacteur monostable) ou deux électroaimants : un pour l’ouverture, l’autre pour la fermeture (contacteur bistable). Le (ou les) électroaimant(s) sont pilotés par la partie commande [Her1, 2005], [Sif, 1988], [Ale et al, 2001], [Sch, 2008].

Variateurs de vitesse

Les variateurs de vitesse sont des dispositifs destinés à moduler la vitesse d’un moteur électrique. Il existe différentes technologies de variateurs de vitesse selon le type de moteur piloté (moteur asynchrone monophasé ou triphasé, moteur synchrone autopiloté, moteur à courant continu, moteur pas à pas…). Les variateurs de vitesse sont généralement composés de semi-conducteurs de puissance (semi-conducteurs type diodes, transistors Mosfets, bipolaires, IGBT…) et d’une électronique de pilotage [Bos, 1997], [Her4, 2005], [Lip4, 2006], [Val, 1998]. L’électronique de pilotage sert principalement à piloter les semi-conducteurs de puissance (drivers) mais permet de réaliser également d’autres fonctions : fonction d’entrées / sorties (cf. paragraphe II.3), de traitement (cf. paragraphe II.4), de communication (cf. paragraphe II.5), d‘Interface Homme-Machine : IHM (cf. paragraphe II.6) et d’alimentation de contrôle-commande (cf. paragraphe II.7)

Démarreurs moteurs

Les démarreurs moteurs sont des dispositifs analogues aux variateurs de vitesse sauf que l’électronique de puissance est plus simple (il n’y a pas de possibilité de générer une onde mais seulement de découper la tension présente sur le réseau de distribution électrique via des semiconducteurs de puissance [Dru et al, 2001]). La puissance totale dissipée par un démarreur se décompose selon une puissance dissipée par l’électronique de puissance et l’électronique de pilotage.

Electrovannes tout ou rien

Les électrovannes permettent de piloter des actionneurs fonctionnant avec des fluides (air comprimé, huile…). Les électrovannes tout ou rien peuvent être dans 2 états : ouvertes ou fermées. Leur principe de fonctionnement est le même que celui des contacteurs électromécaniques (cf. partie II.2.1.1) sauf que le contact électrique est remplacé par une vanne. Les électrovannes servent à piloter des actionneurs pneumatiques ou hydrauliques (pistons, ventouses à effet venturi…)

Constituants de la partie commande

La partie commande est constituée de l’ensemble des organes qui élaborent les ordres de fonctionnement à la partie opérative à partir des informations envoyées par l’opérateur et par la partie opérative (capteurs). La partie commande informe également l’opérateur sur l’état du système.
La partie commande est constituée de 5 sous-ensembles principaux. Une interface Homme-machine (IHM) qui permet un dialogue entre les opérateurs et le système automatisé, une interface d’entrée qui collecte les informations envoyées par les capteurs, une interface de sortie qui permet de commander les préactionneurs, un système de traitement qui permet de piloter le système automatisé et un système de distribution de l’énergie pour alimenter les différents composants de la partie commande. Ces 5 sous-ensembles sont composés physiquement de plusieurs types de composants exposés ci-dessous : des modules d’entrées / sorties, des modules processeurs, des relais d’automatismes, des modules de communication, des IHMs et des alimentations électriques dédiées à l’alimentation de la partie commande. Il existe également des composants dits « spéciaux » [Jon8, 1996] qui n’appartiennent à aucun de ces types de composants.

Modules d’entrées / sorties

Les module d’entrées / sorties servent d’interface entre les capteurs / préactionneurs et le système de traitement. Ces modules peuvent être distribués via un bus de terrain ou centralisés sur le rack automate [Jon2, 1996], [Cla et al, 2004].

Modules d’entrées

Les modules d’entrées sont des dispositifs qui convertissent les grandeurs physiques générées par les capteurs (tension, courant, résistance) en grandeurs numériques (conversion analogique numérique) [Bol4, 2006], [Cla et al, 2004], [Jon2, 1996], [Jon3, 1996], [Jon5, 1996], [Jon7, 1996], [Swa1, 1991]. Dans le cas de grandeurs physiques électriques, les modules d’entrées sont caractérisés par une impédance d’entrée [Fra4, 2004] et une fonction qui détermine la valeur numérique en fonction de la valeur de la grandeur physique en entrée.

Composants pour distribuer l’énergie à la PC

Les différents composants du contrôle-commande sont alimentés principalement en 24 VDC alors que la distribution électrique dans un bâtiment ou une usine est en 230 VAC monophasé ou 400 VAC triphasé. Pour cela, il est nécessaire d’utiliser des convertisseurs 230 VAC ou 400 VAC 24 VDC.

Convertisseurs 24 VDC

Ces convertisseurs, aussi appelés alimentations de contrôle-commande, sont soit des alimentations à découpages (selon le modèle Flyback), soit des alimentations redressées filtrées (transformateur + pont redresseur et capacité de filtrage) [Jov et all, 1999], [Mur1, 2010], [Phi, 1988].

Structuration partie opérative et partie commande et consommation d’énergie

Dans cette partie, nous allons distinguer la consommation d’énergie due au contrôle et celle due aux actionneurs. Cette distinction est importante pour pouvoir analyser ensuite la consommation due au contrôle, ce qui est l’objectif de cette thèse.
Dans les parties II et III, les différents constituants des parties opérative et commande ont été présentés. Une première analyse de la consommation énergétique de chaque constituant nous conduit à proposer une décomposition de l’énergie totale consommée par le système automatisé en :
– une énergie correspondant aux actionneurs de la partie opérative : énergie destinée à agir directement sur la matière d’œuvre via la chaîne {distribution d’énergie, préactionnneur, actionneur, transmetteur, effecteur} et,
– une énergie correspondant aux fonctions de contrôle du système via la chaîne {mesure, IHM, calculs, commande des préactionneurs}.
Il apparaît ainsi que toute l’énergie consommée par les constituants de la partie commande correspond aux fonctions de contrôle. Par contre, une partie de l’énergie consommée par les préactionneurs et les capteurs de la partie opérative n’est pas liée directement aux actionneurs mais plutôt aux fonctions de contrôle : c’est le cas de l’énergie consommée par l’électronique des capteurs, par les bobines et l’électronique de pilotage des préactionneurs.
La consommation liée aux fonctions de contrôle sera appelée consommation du contrôle et la consommation liée aux actionneurs appelée consommation pour la matière d’œuvre.

Systèmes de contrôle-commande

Cette partie présente une définition des systèmes de contrôle-commande et les différents assemblages des constituants de contrôle-commande.

Définition du contrôle-commande

Dans la littérature, un système est dit de contrôle ou de commande s’il a pour but de contrôler ou de commander une grandeur de sortie. Le contrôle ou la commande d’un système correspond à la volonté d’imposer un comportement à une sortie afin que celle-ci évolue suivant un cahier des charges prédéfini. Un système de contrôle-commande est dit automatique s’il fonctionne sans intervention extérieure humaine [Hub1, 2008].
Dans cette étude et relativement à la proposition de structuration de la consommation énergétique d’un système automatisé, le contrôle-commande représentera l’ensemble des composants qui concourent aux fonctions de contrôle et dont la consommation énergétique peut être associée à la consommation du contrôle. Les constituants du contrôle-commande sont les IHMs, les modules processeurs, les relais d’automatismes, les modules d’entrées / sorties, les modules processeurs, les modules de communication, les modules spéciaux, les préactionneurs (même si toute leur consommation n’est pas entièrement liée au contrôle) et les capteurs.
Dans la suite de ce document, chacune des 9 entités qui composent le contrôle-commande sera appelée famille de composants de contrôle-commande.
Dans un système automatisé, les composants de contrôle-commande sont interconnectés entre eux et forment un système de contrôle-commande.

Architectures de contrôle-commande

Pour un ensemble d’actionneurs à piloter et de grandeurs physiques à contrôler, il y a plusieurs façons de construire le système de contrôle-commande [Cla et al, 2004], [Fow, 2008], [Hor, 2004], [Lip1, 2006], [Lip2, 2006]. Par exemple, il peut y avoir un seul ou plusieurs petits processeurs pour piloter le processus [Fow, 2008], [Lew, 2001], [Pag, 1991], [Win1, 2004]. Les modules d’entrées / sorties peuvent être connectés directement au processeur via le bus interne (sur le rack automate) [Phi2, 1998] ou être déportés via un réseau de communication (bus de terrain) pour être au plus proche des capteurs et des préactionneurs [Lip1, 2002]. Les alimentations 24 V peuvent également être centralisées ou réparties sur l’installation [Kal, 1998], [Mar, 1999], [Vae, 2005]. Ces propriétés des systèmes de contrôle-commande seront appelées architectures de contrôle-commande.
Ici, l’architecture de contrôle-commande est définie par le choix et l’assemblage :
– des composants dédiés aux traitements,
– des modules d’entrées / sorties,
– des alimentations de contrôle-commande.
Selon le choix des composants dédiés aux traitements, on distingue 3 architectures liées à ces composants :
– logique câblée : constitués de relais d’automatismes interconnectés [Wu et al, 2007],
– processeur centralisé : avec un seul module processeur dédié aux calculs [Fow, 2008], [Lip2, 2006], [Cla et al, 2004],
– processeurs distribués : avec plusieurs modules processeurs dédiés aux calculs et communicant entre eux [Lew, 2001], [Win1, 2004], [Fow, 2008], [Lip2, 2006], [Cla et al, 2004].
De même, selon le choix des modules d’entrées / sorties, on trouve 2 types d’architectures :
– entrées / sorties centralisées où les différents modules d’entrées / sorties sont regroupés sur le rack automate [Lip1, 2006], [Lip2, 2006], [Cla et al, 2004],
– entrées / sorties distribuées où les modules d’entrées / sorties sont répartis tout le long de la machine et communiquent via un réseau de terrain [Lip1, 2002], [Lip1, 2006], [Lip2, 2006], [Cla et al, 2004].
Pour les modules d’alimentation de contrôle-commande, on les classe selon 2 architectures :
– alimentation centralisée avec un seul module (généralement de forte puissance : 24 V / 10 A…) qui alimente tous les autres composants de contrôle-commande [Fow, 2008], [Mar, 1999],
– alimentations distribuées avec plusieurs modules (bien souvent de faible puissance : 24 V / 0,3 A…) qui alimentent chacun quelques composants de contrôle-commande [Mar, 1999].
Si on combine les différentes possibilités de choix des composants liés aux calculs, de répartition des modules processeurs, des modules d’entrées / sorties et des alimentations de contrôle-commande, on trouve 10 architectures de références pour les systèmes de contrôle-commande : cf. tableau 1.2.

Table des matières

INTRODUCTION
CHAPITRE 1 : SYSTEMES AUTOMATISES ET CONTROLE-COMMANDE
I/ Systèmes automatisés
I.1 Définition des systèmes automatisés
I.2 Structuration des systèmes automatisés
II/ Constituants de la partie opérative
II.1 Systèmes de distribution de l’énergie
II.2 Préactionneurs
II.3 Actionneurs
II.4 Transmetteurs
II.5 Effecteurs
II.6 Capteurs
III/ Constituants de la partie commande
III.1 Modules d’entrées / sorties
III.2 Modules processeurs
III.3 Relais d’automatisme
III.4 Modules de communication
III.5 Interfaces Homme-Machine
III.6 Composants pour distribuer l’énergie à la PC
III.7 Modules spéciaux
IV/ Structuration partie opérative et partie commande et consommation d’énergie
V/ Systèmes de contrôle-commande
V.1 Définition du contrôle-commande
V.2 Architectures de contrôle-commande
V.3 Présentation détaillée de quelques architectures
V.4 Exemples de systèmes de contrôle-commande
VI/ Modes de marche et consommation d’énergie
VI.1 Modes de marche et d’arrêt
VI.2 Systèmes automatisés et modes de marche énergétiques
VII/ Conclusion : analyse de la consommation énergétique
VII.1 Synthèse des différentes définitions
VII.2 Méthodologie pour l’analyse énergétique
CHAPITRE 2 : METHODOLOGIE ET OUTILS POUR L’ANALYSE ENERGETIQ
I / Niveaux de détails de la consommation énergétique
I.1 Décomposition de la consommation dans l’espace
I.2 Décomposition de la consommation dans le temps
II / Grandeurs représentatives de la consommation énergétique
II.1 Grandeurs associées à des régimes dynamiques
II.2 Grandeurs simplifiées
III / Bases de données pour déterminer les consommations
III.1 Données catalogue
III.2 Mesures expérimentales
III.3 Logiciels de simulation
III.4 Critique de ces 3 sources d’information
IV Modélisation par graphes de liaisons et outil d’évaluation de la consommation énergét
IV.1 Graphes de liaisons
IV.2 Outil d’évaluation de la consommation énergétique
V / Méthodologie de l’analyse
V.1 Définition des objectifs
V.2 Instrumentation et mesures expérimentales
V.3 Exploitation des résultats
V.4 Conclusion
CHAPITRE 3 : COMPOSANTS DE CONTROLE-COMMANDE
I / Introduction
II / Méthodologie
II.1 Sélection de composants
II.2 Définition d’indicateurs
III / Technologie et consommation énergétique
III.1 Préactionneurs
III.2 Capteurs
III.3 Interfaces Homme – machine
III.4 Modules d’entrées
III.5 Modules de sorties
III.6 Modules processeurs
III.7 Modules de communication
III.8 Relais d’automatisme
III.9 Alimentation de contrôle-commande
III.10 Modules spéciaux
IV Conclusion
IV.1 Consommation d’énergie et coût de cette consommation
IV.2 Analyse de la consommation des composants
IV.3 Limites de cette analyse
CHAPITRE 4 : SYSTEMES DE CONTROLE-COMMANDE
I / Introduction
II/ Méthodologie
II.1 Définition d’indicateurs
II.2 Machines automatisées
III / Consommation de différents types de machines automatisées
III.1 Machine simple en logique câblée
III.2 Machine complexe en logique câblée
III.3 Machine complexe en logique programmée avec architecture centralisée
III.4 Machine complexe en logique programmée avec entrées / sorties distribuées
III.5 Machine complexe en logique programmée avec E/S, modules processeurs et alimentatio distribuées
III.6 Synthèse sur les différentes machines étudiées
IV / Impact des architectures de contrôle-commande
IV.1 Machine automatisée de référence
IV.2 Impact de l’architecture des modules processeurs
IV.3 Impact de l’architecture des modules d’entrées / sorties
IV.4 Impact de l’architecture des alimentations 230VAC / 24VDC
IV.5 Conclusion sur les architectures
V / Impact du choix de composants de contrôle-commande
V.1 Choix des contacteurs électromécaniques
V.2 Choix du type de réseau de communication
V.3 Conclusion sur le choix des composants
VI / Impact du réglage de composants de contrôle-commande
VI.1 Réglage de la tension de sortie des alimentations
VI.2 Réglage du rétroéclairage des écrans
VI.3 Conclusion sur le réglage des composants
VII / Conclusion
VII.1 Types de machines
VII.2 Architecture de contrôle-commande
VII.3 Choix des composants de contrôle-commande
VII.4 Réglage des composants de contrôle-commande
VII.5 Synthèse
CHAPITRE 5 : MODES DE MARCHE ENERGETIQUES
I / Introduction
II / Méthodologie
II.1 Définition des modes de marche énergétiques
II.2 Définition d’indicateurs
II.3 Machines automatisées étudiées
III / Exemples de consommations
III.1 Machine simple en logique câblée
III.2 Machine complexe en logique câblée
III.3 Machine complexe en logique programmée avec architecture centralisée
III.4 Machine complexe en logique programmée avec entrées / sorties distribuées
III.5 Machine complexe en logique programmée avec E/S, modules processeurs et alimentatio distribuées
III.6 Synthèse de la consommation des 5 machines
IV / Modes de marche basse consommation
IV.1 Difficultés liées aux mises hors et sous tension
IV.2 Modes de marche basse consommation
V Conclusion
V.1 Machines
V.2 Modes de marche basse consommation
V.3 Synthèse
CONCLUSION
REFERENCES BIBLIOGRAPHIQUES
CHAPITRE 6 : ANNEXES
I/ Démarreur étoile-triangle
I.1 Description fonctionnelle
I.2 Description mécanique
I.3 Fonctionnement
I.4 Description du système de contrôle-commande
II/ Porte automatique
II.1 Description fonctionnelle
II.2 Description mécanique
II.3 Fonctionnement
II.4 Description du système de contrôle-commande
III/ Machine de production d’eau glacée
III.1 Description fonctionnelle
III.2 Description mécanique
III.3 Fonctionnement
III.4 Description du système de contrôle-commande
IV/ Ilot de production de l’industrie automobile
IV.1 Description fonctionnelle
IV.2 Description mécanique
IV.3 Fonctionnement
IV.4 Description de la partie électrique de l’îlot
IV.5 Description du système de contrôle-commande
V/ Système de convoyage et de manutention du verre
V.1 Description fonctionnelle
V.2 Description mécanique
V.3 Fonctionnement
V.4 Description d’un convoyeur transfert
V.5 Description d’un convoyeur positionneur
V.6 Description des armoires d’arrêt d’urgence et d’IHM de chaque épi
V.7 Description des armoires automate de chaque épi
VI/ Exemples de mesures expérimentales
VI.1 Protocole expérimental et intrumentation
VI.2 Série de mesures
LISTE DES SYMBOLES ET DES ABREVIATIONS

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